Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения Российский патент 2023 года по МПК F24D3/02 C02F1/20 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для удаления газов из питательной воды систем отопления и горячего водоснабжения.

Вакуумный деаэратор периодического действия используют в водогрейных котельных, где отсутствует пар и работающие с применением пара атмосферные деаэраторы, для предотвращения коррозии энергетического оборудования путём удаления из воды коррозионно-активных газов

Известен вакуумный деаэратор периодического действия (RU 2194671, кл. C02F 1/20, C02F 103/02, 2002 г), содержащий деаэратор с патрубком подвода деаэрируемой воды на криволинейную поверхность и патрубки отвода парогазовой фазы и деаэрированной воды. Устройство снабжено механизмом изменения объема деаэратора в виде мембраны с жестким центром, накопителем, выполненным заодно с деаэратором. Патрубок подвода деаэрируемой воды снабжен впускным клапаном, а каждый из патрубков отвода также снабжен выпускным клапаном. Механизм изменения объема деаэратора и выпускной клапан патрубка отвода парогазовой фазы соединен с приводом с возможностью синхронизации их работы.

Принцип действия известного деаэратора основан на периодическом изменении его внутреннего объёма. Это необходимо для создания вакуума при увеличении объёма в момент проведения этапа деаэрации с последующим уменьшением внутреннего объёма и проведением этапа вытеснения сначала выделившихся газов в атмосферу через клапан выпуска газов, а после этого, вытеснением деаэрированной воды потребителю через выпускной клапан деаэрированной воды под избыточным давлением.

Недостатком данного вакуумного деаэратора является техническая сложность при изменении внутреннего объёма деаэратора, необходимого для получения хорошего вакуума. При увеличении площади и хода мембраны с жестким центром значительно возрастают силовые нагрузки на механизм привода жесткого центра, особенно для создания достаточного избыточного давления с целью подачи деаэрированной воды потребителю. Такое выполнение конструкции приводит к увеличению массы установки и энергозатрат. Кроме того, получаемого значения вакуума недостаточно, чтобы проводить деаэрацию воды без подогрева.

Известен вакуумный деаэратор (Руководство по эксплуатации SI1456ru_9125393_Servitec_Sonderanlage.pdf), включающий деаэрационную камеру в виде вакуумной распылительной трубы внутренним объемом от 40 до 104 дм³, насос, форсунку для распыления исходной воды в деаэраторной камере, клапан подачи воды на форсунку, запорную арматуру, клапан выпуска газов, датчик нижнего уровня воды в деаэрационной камере, выходной патрубок, связанный с входом насоса и обратный клапан, связанный с выходом насоса, а также систему управления.

Принцип работы установки основан на том, что при откачивании воды из деаэрационной камеры насосом в количестве, превышающем объем подачи воды на деаэрацию, над поверхностью воды в деаэрационной камере образуется зона разрежения и при впрыскивании через форсунку исходной подогретой воды происходит выделение растворенных газов и пара. Вода после насоса по магистрали подается потребителю. В исходном состоянии деаэрационная камера и насос заполнены водой, клапан подачи воды на форсунку закрыт.

Недостатками известной установки является низкое качество деаэрированной воды из-за того, что на стадии выпуска парогазовой смеси вытеснение газов производится недеаэрированной водой, которая остаётся в деаэрационной камере до начала следующего цикла деаэрации и попадает потребителю, а также из-за малого времени нахождения капель распылённой воды в вакууме, особенно в начале цикла деаэрации, из-за чего часть растворенных газов не успевает выделиться. Это приводит к тому, что количество удалённого кислорода из деаэрируемой воды составляет менее 90% от имевшегося, т.е. более 10% растворённого кислорода остаётся в деаэрированной воде и поступает к потребителю, вызывая коррозионные разрушения оборудования и теплосети. Недостаточное качество деаэрации при одном проходе воды через деаэрационную камеру вынуждает постоянно пропускать сетевую воду для дополнительной деаэрации, что увеличивает энергозатраты.

В качестве прототипа выбран вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения (RU 2793025, кл. F24D 3/02, 2023 г), включающий систему управления, деаэрационную камеру, в верхней части которой установлена форсунка для распыления исходной воды, клапан подачи воды на форсунку и клапан выпуска газов, а снизу датчик нижнего уровня воды, выходной патрубок, связанный с насосом и обратный клапан. В верхней части деаэрационной камеры на уровне от 0,1 до 0,5 ее высоты от верха расположен датчик начала деаэрации, а за насосом дополнительно смонтирован мембранный расширительный резервуар запаса деаэрированной воды для вытеснения парогазовой смеси, за которым установлен обратный клапан, подсоединенный к магистрали подачи подготовленной воды потребителю.

Однако известная конструкция не предусматривает возможность автоматического подключения резервного насоса, что является обязательным условием для промышленного варианта исполнения в автоматизированных котельных. Кроме того, известная установка не обеспечивает достаточную производительность работы из-за достаточно быстрого откачивания воды из деаэрационной камеры и, соответственно, окончания цикла деаэрации при небольшом количестве прошедшей воды. В деаэрационной камере при деаэрации создаётся глубокий вакуум, а в конце вытеснении избыточное давление, что предъявляет повышенные требования к уплотнительным элементам и быстрое вытеснение парогазовой смеси может приводить к гидроударам в конце вытеснения. Функция известного деаэратора ограничена только деаэрацией воды.

Проблемой, на решение которой направлено изобретение, является исключение недостатков известных существующих конструкций вакуумных деаэраторов с расширением функциональных возможностей устройства обработки воды.

Техническим результатом изобретения являются повышение производительности и надежности работы вакуумного деаэратора, расширение функциональных возможностей, а также обеспечение возможности его применения в промышленном варианте исполнения в автоматизированных котельных без коммутации гидравлической схемы и без оперативного обслуживающего персонала.

Поставленная проблема и заявленный технический результат достигаются за счет того, что вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения включает систему управления, деаэрационную камеру с форсункой для распыления исходной воды, клапан подачи воды на форсунку, клапан выпуска газов, датчик начала деаэрации, выходной патрубок, связанный с насосом, за которым смонтирован мембранный расширительный резервуар запаса деаэрированной воды для вытеснения парогазовой смеси, и обратный клапан, подсоединенный к магистрали подачи подготовленной воды потребителю. Согласно изобретению он дополнительно содержит датчик верхнего уровня, смонтированный в верхней части деаэрационной камеры. Параллельно насосу дополнительно смонтирован резервный насос, также связанный с выходным патрубком. Перед каждым насосом смонтированы входные обратные клапаны, а за насосами - выходные обратные клапаны, выходы которых подключены к датчику расхода воды, установленному перед входом в мембранный расширительный резервуар запаса деаэрированной воды и связанным с обратным клапаном, подсоединенным к магистрали подачи подготовленной воды потребителю и клапаном вытеснения парогазовой смеси, расположенным на линии подачи деаэрационной воды из мембранного расширительного резервуара в верхнюю часть деаэрационной камеры, в которой смонтирована опускная труба с клапаном снижения скорости вытеснения парогазовой смеси и дросселем ограничения скорости вытеснения парогазовой смеси. Вход опускной трубы связан с линией подачи деаэрационной воды из расширительного резервуара, а выход расположен над днищем деаэрационной камеры. Датчик начала деаэрации расположен на уровне от 5 до 10% высоты от днища деаэрационной камеры.

К выпускному патрубку может быть подключен дозатор реагента, например, дозатор жидкости для вакуумного деаэратора, по патенту RU 218325, вход которого связан с емкостью реагента, в нижней части которой установлен датчик нижнего уровня реагента.

Количество форсунок для распыления исходной воды определяют из расчета производительности деаэратора и производительности одной форсунки: N=Q_д/q_ф, где:

N - количество форсунок;

Q_д - производительность деаэратора л/мин;

q_ф - производительность одной форсунки л/мин.

Сопла форсунок, как правило, направлены на сетчатый рассеиватель, смонтированный с возможностью перекрытия им струй воды, исходящих из сопла.

Наличие резервного насоса, связанного с выходным патрубком, обеспечивает, с одной стороны, его автоматическое включение через систему управления в случае неисправности основного насоса, а с другой стороны, обеспечивает возможность организации поочерёдной работы насосов в последовательных циклах деаэрации для исключения перегрузки одного насоса при непрерывной работе, что значительно повысит надежность установки в целом.

Наличие входных обратных клапанов перед каждым насосом обеспечивает исключение подсоса воздуха через уплотнение вала насоса в начале цикла вытеснения у работающего насоса и постоянно у резервного. Наличие выходных обратных клапанов, установленных за каждым из насосов позволяет независимо автоматически включать и выключать каждый насос для создания резервирования в случае неисправности одного из них, а также для организации поочерёдной работы насосов в последовательных циклах деаэрации для исключения перегрузки одного насоса при непрерывной работе, что повышает надежность вакуумного деаэратора.

Наличие датчика расхода воды, расположенного после выходных обратных клапанов насосов, позволяет измерять расход воды любого работающего насоса и передавать показания в систему управления, а также позволяет закончить цикл деаэрации после прохождения объёма воды, содержащего достаточное количество растворённых газов для заполнения всей деаэрационной камеры при высоком вакууме, позволяет исключить использование датчика нижнего уровня для фиксации окончания цикла деаэрации и максимально полно использовать объём деаэрационной камеры для накопления деаэрированных газов, что значительно увеличивает длительность цикла деаэрации, при котором подаётся деаэрированная вода потребителю, и, соответственно, увеличивает производительность деаэратора.

Расположение датчика начала деаэрации в нижней части деаэрационной камеры на уровне от 5 до 10% высоты деаэрационной камеры от днища обеспечивает надёжное срабатывание датчика с учётом остаточной высоты воды над днищем деаэрационной камеры при откачивании насосом, что позволяет давать сигнал на включение форсунки только после снижения уровня воды в деаэрационной камере ниже его положения для проведение цикла деаэрации в достаточном вакуумном объёме с цель обеспечения качественной деаэрации. Кроме того, в случае, когда производительность насоса меньше, чем подача воды через форсунку, датчик начала деаэрации подает сигнал на отключение форсунки до тех пор, пока уровень воды снова не снизится ниже положения датчика начала деаэрации. При этом снижение высоты установки датчика начала деаэрации ниже 5% высоты деаэрационной камеры от ее днища может не обеспечить надёжного срабатывания датчика, а превышение высоты установки датчика начала деаэрации не обеспечит качественного и оптимального режима работы и снизит производительность деаэратора.

Наличие обратного клапана теплосети не позволяет попадать воде из теплосети при цикле вытеснения парогазовой смеси и в режиме ожидания.

Наличие опускной трубы, смонтированной в верхней части деаэрационной камеры, выход которой расположен над ее днищем, обеспечивает вытеснение парогазовой смеси деаэрированной водой из расширительного резервуара без обратного растворения выделившихся газов, т.к. вода движется снизу вверх, не перемешиваясь с парогазовой смесью, имея минимальную площадь контакта.

Наличие датчика верхнего уровня воды позволяет своевременно прекратить подачу воды на вытеснение, сигнализировать об окончании вытеснения газов и, при необходимости, сразу начать следующий цикл деаэрации, что исключает простои и увеличивает максимальную производительность вакуумного деаэратора.

Наличие дозатора для вакуумного деаэратора и расходной ёмкости с реагентом позволяет дозировать реагенты для коррекции рН, защиты от накипеобразования и, при необходимости, реагент для удаления остаточного кислорода для доведения его содержания в деаэрированной воде до нормативных требований, получая тем самым полностью подготовленную воду для подачи потребителю. Дозаторов и расходных емкостей может быть несколько с разными реагентами.

Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором представлен общий вид вакуумного деаэратора периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения.

На чертеже позициями обозначено:

1 - деаэрационная камера;

2 - форсунка для распыления исходной воды;

3 - клапан подачи воды на форсунку 2;

4 - клапан выпуска газов;

5 - датчик верхнего уровня воды;

6 - датчик начала деаэрации;

7 - выходной патрубок;

8 - насос;

9 - резервный насос;

10 - входной обратный клапан насоса 8;

11 - входной обратный клапан резервного насоса 9;

12 - выходной обратный клапан насоса 8;

13 - выходной обратный клапан резервного насоса 9;

14 - датчик расхода воды, в качестве которого может быть использован, например, водосчётчик с импульсным выходом;

15 - обратный клапан теплосети;

16 - клапан вытеснения парогазовой смеси;

17 - расширительный резервуар;

18 - дроссель ограничения скорости вытеснения парогазовой смеси;

19 - клапан снижения скорости вытеснения парогазовой смеси;

20 - опускная труба;

21 - дозатор для вакуумного деаэратора;

22 - расходная емкость реагента;

23 - датчик нижнего уровня реагента;

24 - сетчатый рассеиватель;

Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения работает следующим образом.

В исходном состоянии деаэрационная камера 1 и насосы 8 и 9 заполнены водой. Клапан 3 подачи исходной воды на форсунку 2 и клапан 16 вытеснения парогазовой смеси закрыты. Установка находится в режиме ожидания. При поступлении в систему управления (на фиг.1 не показано) сигнала, например, от датчика давления в магистрали теплосети (на фиг.1 не показано) о снижении давления система управления включает один из насосов, например, насос 8, который через выходной патрубок 7 и входной обратный клапан 10 начинает откачивать воду из деаэрационной камеры 1, начинается цикл деаэрации. В верхней части деаэрационной камеры 1 создается глубокий вакуум (-0,9-0,95 бар для холодной воды с учётом веса столба воды в деаэрационной камере 1) и начинается усиленное парообразование. Разрежённые пары позволяют насосу 8 постепенно откачивать воду и уровень воды снижается. Сначала деаэрированная вода через выходной обратный клапан 12 и датчик расхода воды 14 поступает в расширительный резервуар 17, т.к. давление в нём небольшое после предыдущего процесса вытеснения парогазовой смеси и он опорожнён, а после его заполнения и повышения давления поступает потребителю через обратный клапан теплосети 15. Если через заданное время с начала цикла деаэрации при отключенной форсунке 2 не сработает датчик начала деаэрации 6, система управления признаёт насос 8 не работающим, автоматически переключит на работу насос 9 и подаст сигнал о неисправности. При срабатывании датчика 6 начала деаэрации система управления открывает клапан 3 подачи исходной воды на форсунку 2. Распылённые струи воды через сопло форсунки 2 попадают на сетчатый рассеиватель 24 и дополнительно рассеиваются, после чего попадают в вакуумный объём деаэрационной камеры 1, начинается активный процесс вакуумной деаэрации. После прохождения через датчик расхода 14 количества воды, равного объёму деаэрационной камеры 1, система управления включает в работу дозатор 21 для вакуумного деаэратора и в соответствии с расходом воды и заданием на дозирование реагента подаёт заданное количество доз реагента в деаэрированную воду. Если уровень реагента в расходной ёмкости 22 снизится ниже датчика 23 нижнего уровня реагента, система управления прекратит дозирование и подаст соответствующий сигнал. В деаэрационной камере 1 сохраняется достаточно глубокий вакуум, происходит выделение газов и паров и, если производительность насоса 8 больше, чем подаётся воды через форсунку 2, уровень воды в деаэрационной камере 1 продолжает постепенно понижаться и устанавливается в положении равновесия над днищем деаэрационной камеры, когда насос 8 не может откачивать воды больше, чем подаётся через форсунку 2. С учётом оптимального режима работы, датчик начала деаэрации установлен над днищем деаэрационной камеры 1 на уровне от 5% до 10% высоты деаэрационной камеры. Если производительность насоса 8 ниже, чем подаётся воды через форсунку 2, уровень воды будет находиться около датчика 6 начала деаэрации, который будет отключать форсунку 2 при превышении уровня и снова включать при снижении уровня ниже датчика 6 начала деаэрации. Когда через датчик 14 расхода воды пройдёт заданное количество воды, зависящее от содержания растворённых газов в исходной воде (количество выделившихся растворённых газов в пройденном объёме воды не должно превышать объём деаэрационной камеры, в котором происходит деаэрация, с учётом вакуума в деаэрационной камере. Заданное количество воды обычно составляет от 3 до 15 объёмов деаэрационной камеры) система управления закрывает клапан 3 подачи исходной воды на форсунку 2, выключает насос 8 и прекращает дозирование реагента через дозатор 21 для вакуумного деаэратора. В деаэрационной камере 1 сохраняется глубокий вакуум и входные обратные клапана 10 и 11 предотвращают подсос воздуха через уплотнение вала насосов 8 и 9 соответственно в деаэрационную камеру 1. Цикл деаэрации закончен. В начале цикла вытеснения парогазовой смеси система управления открывает клапан 16 вытеснения парогазовой смеси и деаэрированная вода из расширительного резервуара 17 через клапан 16 вытеснения парогазовой смеси поступает в клапан 19 снижения скорости вытеснения и дроссель 18 ограничения скорости вытеснения. Далее деаэрационная вода опускается в нижнюю часть деаэрационной камеры 1 по опускной трубе 20, вытесняя парогазовую смесь через клапан 4 выпуска газов. Клапан 19 снижения скорости вытеснения в открытом состоянии имеет большую пропускную способность, обеспечивая высокую скорость вытеснения. Когда вода подступает к клапану 19 снижения скорости вытеснения, он закрывается, а вытеснение парогазовой смеси заканчиваться с небольшой скоростью прохода воды через дроссель 18. Когда срабатывает датчик 5 верхнего уровня, система управления получит сигнал об окончании цикла удаления газов и паров, после чего она закрывает клапан 16 вытеснения парогазовой смеси. Для обеспечения максимально полного вытеснения парогазовой смеси без выброса воды через клапан 4 выпуска газов, датчик 5 верхнего уровня устанавливают максимально высоко, в верхней части деаэрационной камере 1, например, в ее крышке или около нижней стороны крышки. Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения находится в исходном состоянии и ждет сигнал на следующее включение.

Использование заявленного технического решения позволяет повысить производительность вакуумного деаэратора периодического действия и качество деаэрации, автоматически переключаться на резервный насос при неисправности основного насоса, а также организовать поочерёдную работу насосов в последовательных циклах деаэрации для исключения перегрузки одного насоса при непрерывной работе. Расширение функциональных возможностей вакуумного деаэратора обеспечивается также за счет возможности обработки воды реагентами для защиты от накипи, коррекции рН и доведения до нормативных значений содержания остаточного кислорода в деаэрированной воде при низкотемпературной деаэрации без использования предварительного подогрева воды, а также за счет возможности автоматической подачи потребителям полностью подготовленной воды в одном устройстве в режиме вакуумной низкотемпературной деаэрации как для малогабаритных блочно-модульных котельных, так и в промышленном варианте исполнения в автоматизированных котельных без оперативного обслуживающего персонала.

Описанный вариант осуществления вакуумного деаэратора периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения может быть осуществлен и в других формах исполнения без отступления от сущности настоящего изобретения, например, сетчатый рассеиватель может быть установлен рядами друг за другом, а также при наличии нескольких форсунок, расположенных по оси деаэрационной камеры, то вокруг них. Могут быть использованы различные дозаторы реагентов, а также разные форсунки по конструкции, мощности и направлению подачи исходной воды.

В настоящее время вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения находится на стадии экспериментального образца и проходит испытания, в ходе которых подтверждаются все заявленные возможности.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для удаления газов из питательной воды систем отопления и горячего водоснабжения. Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения включает систему управления, деаэрационную камеру 1 с форсункой 2 для распыления исходной воды, клапан 3 подачи воды на форсунку 2, клапан 4 выпуска газов, датчик 6 начала деаэрации, выходной патрубок 7, связанный с насосом 8, за которым смонтирован мембранный расширительный резервуар 14 запаса деаэрированной воды, для вытеснения парогазовой смеси и обратный клапан 15, подсоединенный к магистрали подачи подготовленной воды потребителю. Согласно изобретению он дополнительно содержит датчик 5 верхнего уровня, смонтированный в верхней части деаэрационной камеры 1. Параллельно насосу 8 дополнительно смонтирован резервный насос 9, также связанный с выходным патрубком 7. Перед каждым насосом 8 и 9 смонтированы входные обратные клапаны 10 и 11, а за насосами 8 и 9 - выходные обратные клапаны 12 и 13, выходы которых подключены к датчику 14 расхода воды, установленному перед входом в мембранный расширительный резервуар 17 запаса деаэрированной воды, связанным с обратным клапаном 15, подсоединенным к магистрали подачи подготовленной воды потребителю и клапаном 16 вытеснения парогазовой смеси, расположенном на линии подачи деаэрационной воды из мембранного расширительного резервуара 17 в верхнюю часть деаэрационной камеры 1, в которой смонтирована опускная труба 20 с клапаном 19 снижения скорости вытеснения парогазовой смеси и дросселем 18 ограничения скорости вытеснения парогазовой смеси. Вход опускной трубы 20 связан с линией подачи деаэрационной воды из расширительного резервуара 17, а выход расположен над днищем деаэрационной камеры 1. Датчик 6 начала деаэрации расположен на уровне от 5% до 10% высоты от днища деаэрационной камеры 1. Техническим результатом изобретения является повышение производительности и надежности вакуумного деаэратора, расширение функциональных возможностей, а также обеспечение возможности его применения в промышленном варианте исполнения в автоматизированных котельных без коммутации гидравлической схемы и без оперативного обслуживающего персонала. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вакуумный деаэратор периодического действия системы отопления и горячего водоснабжения, включающий систему управления, деаэрационную камеру с форсункой для распыления исходной воды, клапан подачи воды на форсунку, клапан выпуска газов, датчик начала деаэрации, выходной патрубок, связанный с насосом, за которым смонтирован мембранный расширительный резервуар запаса деаэрированной воды для вытеснения парогазовой смеси и обратный клапан, подсоединенный к магистрали подачи подготовленной воды потребителю, отличающийся тем, что он дополнительно содержит датчик верхнего уровня, смонтированный в верхней части деаэрационной камеры, кроме того, параллельно насосу дополнительно смонтирован резервный насос, также связанный с выходным патрубком, при этом перед каждым насосом смонтированы входные обратные клапаны, а за насосами - выходные обратные клапаны, выходы которых подключены к датчику расхода воды, установленного перед входом в мембранный расширительный резервуар запаса деаэрированной воды и связанного с обратным клапаном, подсоединенным к магистрали подачи подготовленной воды потребителю и клапаном вытеснения парогазовой смеси, расположенным на линии подачи деаэрационной воды из мембранного расширительного резервуара в верхнюю часть деаэрационной камеры, в которой смонтирована опускная труба с клапаном снижения скорости вытеснения парогазовой смеси и дросселем ограничения скорости вытеснения парогазовой смеси, вход которой связан с линией подачи деаэрационной воды из расширительного резервуара, а выход расположен над днищем деаэрационной камеры, кроме того, датчик начала деаэрации расположен на уровне от 5% до 10% высоты от днища деаэрационной камеры.

2. Вакуумный деаэратор по п. 1, отличающийся тем, что к выпускному патрубку подключен выход дозатора реагента, вход которого связан с емкостью реагента, в нижней части которой смонтирован датчик нижнего уровня реагента.

3. Вакуумный деаэратор по п. 1, отличающийся тем, что количество форсунок для распыления исходной воды определяют из расчета производительности деаэратора и производительности одной форсунки:

N=Q_д/q_ф, где:

N – количество форсунок;

Q_д – производительность деаэратора, л/мин;

q_ф – производительность одной форсунки, л/мин.

4. Вакуумный деаэратор по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что сопла форсунок направлены на сетчатые рассеиватели, смонтированные с возможностью перекрытия ими струй воды, исходящих из сопла.